Naukowcy wykorzystują żywe komórki żab do stworzenia pierwszego na świecie żywego robota

W tym, co jest wyjątkowym połączeniem biologicznego życia i robotyki, zespół naukowców wykorzystał żywe komórki żab i stworzył „xenoboty”. Komórki pochodziły z zarodków żab, a xenoboty mają tylko milimetr szerokości. Są one w stanie poruszać się w kierunku celu, możliwe, że podniosą ładunek, taki jak lekarstwo do wnętrza ludzkiego ciała, i mogą się zregenerować po odcięciu lub uszkodzeniu.

“To są nowe żywe maszyny”, według Joshuy Bongarda, specjalisty od komputerów i robotyki na Uniwersytecie w Vermont, który kierował nowymi badaniami. “Nie są to tradycyjne roboty, ani znane gatunki zwierząt. To nowa klasa artefaktów: żywa, programowalna organizacja.”

Naukowcy zaprojektowali boty na superkomputerze na Uniwersytecie w Vermont, a grupa biologów na Uniwersytecie Tufts zmontowała i przetestowała je.

“Możemy wyobrazić sobie wiele przydatnych zastosowań tych żywych robotów, których inne maszyny nie mogą wykonać”, mówi współkierownik Michael Levin, który kieruje Centrum Biologii Regeneracyjnej i Rozwojowej na Uniwersytecie Tufts, “jak wyszukiwanie nieprzyjemnych związków lub promieniowania radioaktywnego, gromadzenie mikroplastiku w oceanach, podróżowanie w tętnicach, aby usunąć płytkę nazębną”.

Badania zostały opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences 13 stycznia.

Zgodnie z zespołem, jest to pierwszy raz, kiedy badania „projektują całkowicie biologiczne maszyny od podstaw”.

Wymagało to miesięcy przetwarzania na klastrze superkomputera Deep Green w Vermont Advanced Computing Core. Zespół obejmował głównego autora i doktoranta Sama Kriegmana, i polegał na algorytmie ewolucyjnym, aby opracować tysiące różnych projektów nowych form życia.

Gdy komputer otrzymał polecenie wykonania zadania podanego przez naukowców, takiego jak lokomocja w jednym kierunku, ciągle ponownie montował kilkaset symulowanych komórek w różne formy i kształty ciała. Podczas gdy programy były uruchamiane, najbardziej udane symulowane organizmy były zachowywane i udoskonalane. Algorytm działał niezależnie sto razy, a najlepsze projekty były wybrane do testowania.

Zespół na Uniwersytecie Tufts, pod kierunkiem Levina i z pomocą mikrochirurga Douglasa Blackistona, następnie podjął się projektu. Przeniosły projekty do następnego etapu, który był życiem. Zespół zebrał komórki macierzyste, które zostały pobrane z zarodków afrykańskich żab, gatunku Xenopus laevis. Poszczególne komórki zostały oddzielone i pozostawione do inkubacji. Zespół użył małych szczypiec i elektrody, aby odciąć komórki i połączyć je pod mikroskopem w projekty stworzone przez komputer.

Komórki zostały zmontowane w nowe formy ciała i zaczęły współpracować. Komórki skórne rozwinęły się w bardziej bierną strukturę, a komórki mięśnia sercowego były odpowiedzialne za tworzenie uporządkowanego ruchu do przodu, zgodnie z projektem komputera. Roboty były w stanie poruszać się samodzielnie dzięki spontanicznym, samoorganizującym się wzorom.

Organizmy były w stanie poruszać się w sposób spójny i przetrwały dni lub tygodnie, eksplorując swoje wodne środowisko. Polegały one na zapasach energii zarodkowej, ale awaryjnie, gdy zostały przewrócone na plecy.

“To jest krok w kierunku wykorzystania komputerowo zaprojektowanych organizmów do inteligentnej dostawy leków”, mówi Bongard, profesor w Departamencie Informatyki i Centrum Złożonych Systemów na Uniwersytecie w Vermont.

Ponieważ xenoboty są żywymi technologiami, mają one pewne zalety.

“Wada żywej tkanki jest taka, że jest słaba i ulega degradacji”, mówi Bongard. “Dlatego używamy stali. Ale organizmy mają 4,5 miliarda lat praktyki w regenerowaniu się i trwaniu przez dziesięciolecia. Te xenoboty są w pełni biodegradowalne”, kontynuuje. “Gdy skończą swoją pracę po siedmiu dniach, są po prostu martwymi komórkami skóry”.

Te rozwój będzie miał duże implikacje dla przyszłości.

“Jeśli ludzkość ma przetrwać w przyszłości, musimy lepiej zrozumieć, jak złożone właściwości, w jakiś sposób, wynikają z prostych reguł”, mówi Levin. “Wiekszość nauki koncentruje się na kontrolowaniu reguł na niskim poziomie. Musimy również zrozumieć reguły na wysokim poziomie. Jeśli chcielibyśmy kopca mrówek z dwoma kominami zamiast jednego, jak modyfikujemy mrówki? Nie mielibyśmy pojęcia”.

“Myślę, że jest to absolutna konieczność dla społeczeństwa, aby uzyskać lepszy uchwyt na systemy, w których wynik jest bardzo złożony. Pierwszym krokiem w tym kierunku jest eksploracja: jak żywe systemy decydują o ogólnym zachowaniu i jak modyfikujemy elementy, aby uzyskać zachowania, których chcemy?”

“To badanie jest bezpośrednim wkładem w uzyskanie uchwytu na to, czego ludzie boją się, co jest niezamierzonymi konsekwencjami, czy to w przypadku szybkiego pojawienia się samochodów bez kierowcy, zmiany genetycznej, aby wyeliminować całe linie wirusów, czy innych złożonych i autonomicznych systemów, które będą coraz bardziej kształtować ludzkie doświadczenie”.

“Istnieje cała ta wrodzona kreatywność w życiu”, mówi UVM’s Josh Bongard. “Chcemy zrozumieć ją głębiej – i jak możemy ją skierować i pchnąć w kierunku nowych form”.